來源:大紀元
身穿防护衣的工人在铸造厂浇注熔融态的金属。(Shutterstock)
【大纪元2025年12月25日讯】（大纪元记者吴瑞昌综合报导）传统观点认为金属的固态与静态，区别在原子的运动速度，但近期国际研究团队的新发现正颠覆这项认知。他们发现，液态金属奈米液滴在极端温度下，存在着完全静止的原子宛如“锚定”，且对金属冷却凝固的过程产生决定性影响。
金属在高温液体时，内部原子以复杂而密集的方式高速运动，且彼此间快速掠过和相互作用，类似于街道上人们熙熙攘攘的摩肩接踵。不过，要捕捉金属从液态转为固态的瞬间极其困难，而该阶段又决定材料的结构，及其许多功能特性。
为了探索金属刚形成固体的阶段，英国诺丁汉大学（University of Nottingham）和德国乌尔姆大学（University of Ulm）的科学家利用透射电子显微镜技术，观察了金属奈米液滴刚凝固的过程，意外发现了一些原子在极端温度下保持不动的秘密，且这些静止原子的数量和位置，都会影响冷却时的凝固路径。 这项新发现为矿化作用、冰的形成和蛋白质原纤维的折叠凝固过程提供新的见解，同时有望为制药、航空、建筑、电子与催化剂等产业的研发带来新突破。该研究成果于12月9日发表在《ACS Nano》杂志。 研究团队先前曾制作过涉及单一分子的化学反应影片，其中包括首次记录化学键断裂和重组的过程，该方法使得观察单一层面原子的化学反应。 这次，研究团队使用“球差校正和色差校正高解析度透射电子显微镜（HRTEM）”，并开发出一项可在20°C至800°C温度范围内，对金属奈米颗粒进行原子级解析度成像的创新方法。
他们首先将铂（白金）、金和钯的金属原子沉积在石墨烯基底上，形成3至6奈米大小的奈米颗粒，并加热观察其熔化成液态的过程。 实验结果显示，这些金属颗粒正如预期的那样熔化，内部的原子开始快速运动。不过，令研究人员感到吃惊的是，并非所有原子都处于快速移动的状态，其中一部分原子竟能保持静止，如同被“钉”在支撑材料的特定位置上。 这些位置被称为“点缺陷”，这种“强结合力”的金属-碳键结，即使在高温下也异常稳定。 他们进一步研究发现，这些静止的金属原子，在引导液体固化过程中，扮演至关重要的角色。团队透过电子束在石墨烯上进行聚焦照射，发现可以人为制造更多这种缺陷，从而调节液态金属中被“锚定”的原子数量。 他们观察到，当静止原子数量较少（少于10个）且分布随机时，金属晶体才能够顺利地从液体金属中生长成核，并扩展成规则的晶体结构直至完全固化。相反的静止原子较多，会在液态金属边缘形成一圈“原子围栏”（atomic corral）并阻碍正常的结晶过程。 这些被围住的液态铂金属，即使温度降至200°C～300°C（远低铂的正常熔点1,768°C），也仍然可以保持液态。它最终不会转变为规则的晶体，而是形成一种“非晶态固体”。这种非晶态金属极不稳定，只有在静止原子的持续限制下才能存在，一旦限制被打破，累积的应力就会释放，并重新排列成晶体。
研究人员表示，过去奈米尺度的粒子束缚技术，仅应用于光子和电子上。这项成果首次证明，原子本身也可以用类似的方式束缚。未来可能透过精确控制表面的原子排列位置，制造出更大、更复杂的原子围栏。这种精准控制有望提高对稀有金属材料在能量转换、能量储存的应用效率。 领导研究团队的诺丁汉大学教授安德烈‧赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）对该校新闻室表示，“我们通常会想到物质有气体、液体和固体三种状态。这次研究成果，可能预示着一种新型物质的诞生，它巧妙的结合了固体与液体的特性。” 乌尔姆大学创建SALVE中心教授乌特‧凯泽（Ute Kaiser）表示，他们观察到电子束中的“波粒二像性”。“我们利用电子的波动性来观察物质，同时利用其粒子性传递脉冲能量。这些脉冲可以移动原子，甚至将原子固定在液态金属的边缘，创造出这种新颖的物质相。” “电子波粒二像性”是指电子同时具有粒子性（有明确位置和动量）和波动性（能产生干涉和绕射现象） 诺丁汉大学催化专家杰苏姆‧阿尔维斯‧费尔南德斯（Jesum Alves Fernandes）博士补充表示，“铂碳催化剂是全球应用最广泛的催化剂之一。这种受限液态金属的现象，可能改变我们对催化剂工作原理的理解，并有望促进设计出活性更高、寿命更长的催化剂，因此具有相当重大的应用潜力。”
这项工作获得德国研究基金会（DFG）EPSRC计划资助（编号：EP/V000055/1）与英国皇家学会的财政支持。
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